一种音圈电机位置运动控制装置

摘要

本发明公开了一种音圈电机位置运动控制装置。通过检测音圈电机的位置获得电机位置信息、电机速度信息和电机电流信息；然后根据目标位置和电机位置信息计算位置误差；如果位置误差的绝对值大于位置调整阀值，则执行电机校正步骤；所述电机校正步骤包括：根据位置信息计算电机电流方向Dr和电机速度给定值Vn；根据电机速度给定值Vn计算电机电流给定值Ipn；根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In；根据电机电流方向Dr和输出电流In驱动音圈电机，从而实现了音圈电机的高速高精度控制。

权利要求

1.一种音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，包括：位置采集模块，用于检测音圈电机的位置获得初始时刻到当前时刻的电机位置信息E00～En0，其中En0为当前电机位置；

速度采集模块，用于检测音圈电机的速度获得初始时刻到当前时刻的电机速度信息V00～Vn0，其中Vn0为当前电机速度；

电流采集模块，用于检测音圈电机的电流获取初始时刻到当前时刻的电机电流信息I00～In0，其中In0为当前电机电流；

数模转换模块，用于将音圈电机的控制参数转换成模拟电压控制信号；

恒流驱动模块，根据模拟电压控制信号产生驱动音圈电机的驱动电流；

控制单元，配置为执行如下步骤：

根据位置信息计算电机电流方向Dr和电机速度给定值Vn；

根据电机速度给定值Vn计算电机电流给定值Ipn；

根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In；

根据电机电流方向Dr和输出电流In驱动音圈电机；

根据电机电流方向Dr和输出电流In产生音圈电机的控制参数并传输到模数转换模块，根据位置信息计算电机速度给定值Vn和电机电流方向Dr的公式为：Vn＝Kp1*ΔEn+Ki1*∑E；

其中ΔEn＝En-En0；∑E＝ΔE0+ΔE1+……+ΔEn；Kp1为速度比例增益，Ki1为速度积分增益，En为前一时刻的电机位置，En0为当前电机位置；

并且，根据位置误差ΔEn计算电机电流方向Dr的公式为：上述的计算电机电流方向Dr的公式中1和0为表示电流方向正向和反向的两个逻辑值，所述的电机电流给定值Ipn的计算公式为：Ipn＝Kp2*ΔVn+Ki2*∑V；

其中ΔVn为当前速度偏差，∑V为速度偏差累计值，且ΔVn＝Vn-Vn0；∑V＝ΔV0+ΔV1+……+ΔVn；Kp2为速度比例增益，Ki2为速度积分增益，根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In的计算公式为：In＝Kp3*ΔIpn+Ki3*∑I；

其中ΔIn为当前电流偏差，∑I为电流偏差累计值，且ΔIpn＝Ipn-In0，∑I＝ΔI0+ΔI1+……+ΔIn，Kp3为电流比例增益，Ki2为电流积分增益。

2.如权利要求1所述的音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，所述位置采集模块包括光栅尺或一维位置传感器。

3.如权利要求1所述的音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，所述的数模转换模块包括一个产生第一驱动电压的第一转换器件和一个产生第二驱动电压的第二转换器件。

4.如权利要求1所述的音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，所述恒流驱动模块包括一个第一同相运算放大电路和一个第二同相运算放大电路，所述音圈电机连接于所述第一同相运算放大电路和所述第二同相运算放大电路的输出端之间。

5.如权利要求1所述的音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，所述的电流采集模块包括采样电阻或霍尔传感器。

6.如权利要求1所述的音圈电机位置运动控制装置，其特征在于，所述装置还包括数据通信模块，用于接收音圈电机的目标位置参数。

说明书

一种音圈电机位置运动控制装置

技术领域

[0001] 本发明涉及音圈电机领域，尤其涉及音圈电机位置运动控制装置。

背景技术

[0002] 目前，随着工业控制发展，对高速、高精度定位系统要求越来越高，从而音圈电机的运用也越来越多。如光学系统中透镜的定位；机械工具的多坐标定位平台；医学装置中精密电子管、真空管控制；在柔性机器人中，为使末端执行器快速、精确定位，还可以用音圈电机来有效的抑制振动。总之，音圈电机在许多不同形式的高速度、高精度位置、高频激励上得到了广泛的应用。

[0003] 目前音圈电机的控制装置，主要通过MOSFET组成的桥式电路，通过改变脉冲的占空比来改变驱动电流，这种方式比较适合电压高、电流大、对位置要求不是很高的场合，以及电机做简单的往返动作。在一些音圈电机的控制策略中，在一些改进策略中利用位置环和速度环并联对电流环进行控制，能达到对位置的快速响应，但是对于位置精度，运行距离短，运行速度快的场合中，位置精度就会降低，往往出现过调的现象，因此这种方案适合于一些对位置精度要求不高、音圈电机快速往返的环境中。

发明内容

[0004] 本发明为解决现有对音圈电机要求位置精度高、运行距离短，运行速度快等环境，特别适合激光动态聚焦场合，提出了一种音圈电机位置运动控制装置，其包括：位置采集模块，用于检测音圈电机的位置获得初始时刻到当前时刻的电机位置信息E00～En0，其中En0为当前电机位置；速度采集模块，用于检测音圈电机的速度获得初始时刻到当前时刻的电机速度信息V00～Vn0，其中Vn0为当前电机速度；电流采集模块，用于检测音圈电机的电流获取初始时刻到当前时刻的电机电流信息I00～In0，其中In0为当前电机电流；控制单元，配置为执行如下步骤：

[0005] 根据位置信息计算电机电流方向Dr和电机速度给定值Vn；

[0006] 根据电机速度给定值Vn计算电机电流给定值Ipn；

[0007] 根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In；

[0008] 根据电机电流方向Dr和输出电流In驱动音圈电机；

[0009] 根据电机电流方向Dr和输出电流In产生音圈电机的控制参数并传输到模数转换模块。

[0010] 进一步地，根据位置信息计算电机速度给定值Vn和电机电流方向Dr的公式为：

[0011] Vn＝Kp1*ΔEn+Ki1*∑E；

[0012] 其中ΔEn＝En-En0；∑E＝ΔE0+ΔE1+……+ΔEn；Kp1为速度比例增益，Ki1为速度积分增益，En为前一时刻的电机位置，En0为当前电机位置；

[0013] 并且，根据位置误差ΔEn计算电机电流方向Dr的公式为：

[0014]

[0015] 进一步地，所述的电机电流给定值Ipn的计算公式为：

[0016] Ipn＝Kp2*ΔVn+Ki2*∑V；

[0017] 其中ΔVn为当前速度偏差，∑V为速度偏差累计值，且ΔVn＝Vn-Vn0；∑V＝ΔV0+ΔV1+……+ΔVn；Kp2为速度比例增益，Ki2为速度积分增益。

[0018] 进一步地，根据电机电流Ipn计算输出电流In的计算公式为：

[0019] In＝Kp3*ΔIpn+Ki3*∑I；

[0020] 其中ΔIn为当前电流偏差，∑I为电流偏差累计值，且ΔIpn＝Ipn-In0，∑I＝ΔI0+ΔI1+……+ΔIn，Kp3为电流比例增益，Ki2为电流积分增益。

[0021] 优选地，所述位置采集模块包括光栅尺或一维位置传感器。

[0022] 优选地，所述的数模转换模块包括一个产生第一驱动电压的第一转换器件和一个产生第二驱动电压的第二转换器件。

[0023] 优选地，所述恒流驱动模块包括一个第一同相运算放大电路和一个第二同相运算放大电路，所述音圈电机连接于所述第一同相运算放大电路和所述第二同相运算放大电路的输出端之间。

[0024] 优选地，所述的电流采集模块包括采样电阻或霍尔传感器。

[0025] 优选地，所述装置还包括数据通信模块，用于接收音圈电机的目标位置参数。

[0026] 本发明的有益效果是：本发明采用模拟电路控制方式来控制音圈电机的电流，改变了脉冲方式干扰大的缺点，使整个系统的控制精度大大提高，在传统算法上增加了阀门控制、控制范围限定等策略，使整个系统能够快速收敛。

附图说明

[0027] 图1本发明实施例音圈电机位置运动控制装置结构图；

[0028] 图2本发明实施例恒流驱动模块电路原理图；

[0029] 图3本发明实施例音圈电机位置运动控制方法流程图；

[0030] 图4本发明实施例音圈电机位置运动控制方法中校正步骤的时序图。

具体实施方式

[0031] 下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 图1示出了本发明的一种音圈电机位置运动控制装置结构图。参考图1，音圈电机位置运动控制装置包括：位置采集模块12、速度采集模块13、电流采集模块14、数模转换模块16、恒流驱动模块18和控制单元10。其中，位置采集模块12用于检测音圈电机的位置获得电机位置信息，优选地，所述位置采集模块可以包括光栅尺或一维位置传感器；速度采集模块13用于检测音圈电机的速度获得电机速度信息；电流采集模块14用于检测音圈电机的电流获取电机电流信息，所述的电流采集模块14可以包括采样电阻或霍尔传感器；

[0033] 数模转换模块16用于将音圈电机的控制参数转换成模拟电压控制信号。所述的数模转换模块16可以包括一个产生第一驱动电压的第一转换器件和一个产生第二驱动电压的第二转换器件。第一和第二转换器件可以通过高速模拟数字转换器(AD)和正交编码器脉冲器实现。

[0034] 同时结合图2，图2示出了本发明恒流驱动模块的电路原理图。恒流驱动模块18根据模拟电压控制信号产生驱动音圈电机的驱动电流。如图2所示，所述恒流驱动模块可以包括一个第一同相运算放大电路A1和一个第二同相运算放大电路B1以及电阻R1、R2、R3、R4。音圈电机Motor串接于所述第一同相运算放大电路A1和所述第二同相运算放大电路B1的输出端之间。可以将第一驱动电压A_BUF接入第一同相运算放大电路A1的同相输入端，第二驱动电压B_BUF接入第二同相运算放大电路B1的同相输入端。电阻R1和R2比值为第一同相运算放大电路A1相对A_BUF输入信号的放大比例系数，电阻R3和R4比值为运算放大器B1相对B_BUF输入信号的放大比例系数。当A_BUF>0，B_BUF＝0，这时加在音圈电机Motor两端的是正向电压，音圈电机Motor正向运动。由A_BUF的大小控制音圈电机Motor的速度；当当B_BUF>0，A_BUF＝0，这时加在音圈电机Motor两端的是反向电压，音圈电机Motor反向运动时，由B_BUF的大小控制音圈电机Motor的速度。

[0035] 优选地，所述装置还包括数据通信模块19，用于接收音圈电机的目标位置参数。数据通信模块19可以为SPI通信模块、CAN通信模块、串口通信模块或蓝牙通信模块等通信模块，通过有线或无线连接从外部上位计算主机接收目标位置参数等信息。

[0036] 控制单元10配置为执行如下步骤：根据位置信息计算电机电流方向Dr和电机速度给定值Vn；根据电机速度给定值Vn计算电机电流给定值Ipn；根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In；根据电机电流方向Dr和输出电流In驱动音圈电机；根据电机电流方向Dr和输出电流In产生音圈电机的控制参数并传输到模数转换模块。具体的计算方法将在下面详细阐述。

[0037] 图3示出了本发明的一种音圈电机位置运动控制方法流程图。参考图3，该方法包括以下步骤：

[0038] 步骤S301利用数据通信模块接收目标位置参数En。

[0039] 步骤S302利用位置采集模块检测音圈电机的位置获得电机位置信息；具体的，可以随时间多次采集音圈电机的位置，获得初始时刻到第n时刻(当前时刻)的电机位置序列E00～En0，其中En0为电机当前的电机位置；

[0040] 步骤S303利用速度采集模块检测音圈电机的速度获得电机速度信息；具体地，可以随时间按一定间隔多次采集电机速度，获得电机速度序列V00～Vn0，其中VI0为当前电机速度；需要说明的是，采集电机速度的过程可以是：利用检测电机位置的时间间隔和相邻时刻电机位置的差来计算电机速度。

[0041] 步骤S304电流采集模块检测音圈电机的电流获取电机电流信息；具体的，可以随时间按一定间隔多次采集电机电流，获得电机电流序列I00～In0，其中In0为当前电机电流。

[0042] 步骤S305利用控制单元根据目标位置参数En和当前电机位置En0计算当前位置误差ΔEn；其中ΔEn＝En-En0

[0043] 步骤S306判断当前位置误差的绝对值|ΔEn|是否大于位置调整阀值Emax，如果是，则执行电机校正步骤S307；如果否，则可以进入步骤S308结束流程或继续检测下一时刻的位置误差。

[0044] 同时结合图4，所述电机校正步骤S307可以包括：

[0045] 步骤S3071，根据位置信息计算电机电流方向Dr和电机速度给定值Vn；

[0046] 步骤S3072，根据电机速度给定值Vn计算电机电流给定值Ipn；

[0047] 步骤S3073，根据电机电流给定值Ipn计算输出电流In；

[0048] 步骤S3074，根据电机电流方向Dr和输出电流In通过恒流驱动模块驱动音圈电机。

[0049] 进一步地，根据位置信息计算电机速度给定值Vn和电机电流方向Dr的公式为：

[0050] Vn＝Kp1*ΔEn+Ki1*∑E；

[0051] 其中ΔEn＝En-En0；∑E＝ΔE0+ΔE1+……+ΔEn；Kp1为速度比例增益，Ki1为速度积分增益，En为前一时刻的电机位置，En0为当前电机位置；

[0052] 并且，根据位置误差ΔEn计算电机电流方向Dr的公式为：

[0053]

[0054] 应当知道，上述的计算电机电流方向Dr的公式中1和0为表示电流方向正向和反向的两个逻辑值，这是本领域领域普通技术人员熟知的。进一步地，所述的电机电流给定值Ipn的计算公式为：

[0055] Ipn＝Kp2*ΔVn+Ki2*∑V；

[0056] 其中ΔVn为当前速度偏差，∑V为速度偏差累计值，且ΔVn＝Vn-Vn0；∑V＝ΔV0+ΔV1+……+ΔVn；Kp2为速度比例增益，Ki2为速度积分增益。

[0057] 进一步地，根据电机电流Ipn计算输出电流In的计算公式为：

[0058] In＝Kp3*ΔIpn+Ki3*∑I；

[0059] 其中ΔIn为当前电流偏差，∑I为电流偏差累计值，且ΔIpn＝Ipn-In0，∑I＝ΔI0+ΔI1+……+ΔIn，Kp3为电流比例增益，Ki2为电流积分增益。

[0060] 进一步地，所述方法还包括根据控制精度设定调整阀值Emax的步骤；可以根据需要对调整阈值Emax进行设定。具体的，用户可以利用外部上位计算装置通过数据通信模块向控制单元发送新的调整阈值。

[0061] 进一步地，当所述电机速度给定值Vn大于电机最高速度Vmax时，可以取Vn＝Vmax。

[0062] 进一步地，当所述的电机电流给定值Ipn大于电机的最大电流Imax时，可以取Ipn＝Imax。电机最大速度Vmax可以根据电机特性设定，电机最大电流Imax也可以根据电机特性设定。

[0063] 本发明采用模拟电路控制方式来控制音圈电机的电流，改变了脉冲方式干扰大的缺点，使整个系统的控制精度大大提高，在传统算法上增加了阀门控制、控制范围限定等策略，使整个系统能够快速收敛。

[0064] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

[0065] 应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

[0066] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

[0067] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。